DE102013102052B4 - Chip arrangement - Google Patents
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Abstract
Chip-Anordnung, aufweisend:einen Chip (300), wobei der Chip (300) aufweist:• einen Träger (302);• eine auf einer Oberfläche (304) des Trägers (302) flächig aufgebrachte Metallschicht (306);• wobei der Träger (302) einen mit der Metallschicht (306) elektrisch gekoppelten Gleichrichterschaltkreis (406) aufweist;• wobei ein Teil des Trägers (302) eine elektrisch leitfähige Struktur (412) bildet, die gemeinsam mit der Metallschicht (306) einen Kondensator bildet, eingerichtet zum Einkoppeln eines elektrischen Signals in den Gleichrichterschaltkreis (406), oder wobei eine zusätzliche Metallschicht (410) auf einer der Oberfläche (304) des Trägers (302) entgegengesetzten Oberfläche aufgebracht ist, die gemeinsam mit der Metallschicht (306) einen Kondensator bildet, eingerichtet zum Einkoppeln eines elektrischen Signals in den Gleichrichterschaltkreis (406);eine Booster-Antennenstruktur, die kapazitiv mit dem Träger (302) gekoppelt ist, wobei die Booster-Antennenstruktur einen ersten Teil (502) und einen zweiten Teil (504) aufweist, wobei der Chip (300) zwischen dem ersten Teil (502) und dem zweiten Teil (504) angeordnet ist, wobei die Booster-Antennenstruktur eine Antenne aufweist;• wobei der erste Teil (502) und der zweite Teil (504) der Booster-Antennenstruktur jeweils einen ersten Abschnitt (506, 508) und einen zweiten Abschnitt (510, 512) aufweisen,• wobei der jeweilige erste Abschnitt (506, 508) eingerichtet ist zur kapazitiven Kopplung mit dem Träger (302); und• wobei der jeweilige zweite Abschnitt (510, 512) eingerichtet ist zum induktiven Koppeln mit einer Chip-Anordnung-externen Einrichtung.A chip assembly, comprising: a chip (300), the chip (300) comprising: a carrier (302) a metal layer (306) applied flat on a surface (304) of the carrier (302); Carrier (302) comprises a rectifier circuit (406) electrically coupled to the metal layer (306); wherein a portion of the carrier (302) forms an electrically conductive structure (412) which together with the metal layer (306) forms a capacitor for injecting an electrical signal into the rectifier circuit (406), or wherein an additional metal layer (410) is applied to an opposite surface to the surface (304) of the carrier (302) which together with the metal layer (306) forms a capacitor a booster antenna structure capacitively coupled to the carrier (302), the booster antenna structure ei a first part (502) and a second part (504), the chip (300) being arranged between the first part (502) and the second part (504), the booster antenna structure having an antenna; the first part (502) and the second part (504) of the booster antenna structure each have a first section (506, 508) and a second section (510, 512), wherein the respective first section (506, 508) is adapted to capacitive coupling with the carrier (302); and wherein the respective second portion (510, 512) is adapted for inductive coupling to a chip device external device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Chip-Anordnung.The invention relates to a chip arrangement.
Eine herkömmliche Booster-Antenne wird in der Regel mit einem so genannten Coil on Module (Spule auf Modul) verwendet, anders ausgedrückt mit einem Modul, beispielsweise einem Chip, auf dem eine mit dem Modul monolithisch integrierte Spule vorgesehen ist. In diesem Fall wird beispielsweise ein kleines Modul, das beispielsweise einen Kommunikationschip und eine dazu passende Antenne bzw. Leiterschleife aufweist, mittels der Booster-Antenne betrieben. Dadurch wird üblicherweise die erreichbare Lese- bzw. Schreibdistanz deutlich erhöht.A conventional booster antenna is typically used with a so-called coil on module, in other words a module, for example a chip, on which a coil monolithically integrated with the module is provided. In this case, for example, a small module, which has, for example, a communication chip and a matching antenna or conductor loop, operated by the booster antenna. As a result, the achievable read or write distance is usually increased significantly.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Chip-Anordnung mit einer Booster-Antenne bereit zu stellen, die es ermöglicht, auch kleine Chips mittels kapazitiver Kopplung auszulesen.The invention is based on the problem to provide a chip arrangement with a booster antenna, which makes it possible to read even small chips by means of capacitive coupling.
Das Problem wird durch eine Chip-Anordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.The problem is solved by a chip arrangement having the features according to independent claim 1.
Es wird eine Chip-Anordnung bereitgestellt, die einen Chip aufweist. Der Chip weist einen Träger auf; und eine auf einer Oberfläche des Trägers flächig aufgebrachte Metallschicht; wobei der Träger einen mit der Metallschicht elektrisch gekoppelten Gleichrichterschaltkreis aufweist. Die Chip-Anordnung weist ferner eine Booster-Antennenstruktur auf, die kapazitiv mit dem Träger gekoppelt ist. Die Booster-Antennenstruktur weist einen ersten Teil und einen zweiten Teil auf, wobei der Träger zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil angeordnet ist. Die Booster-Antennenstruktur weist eine Antenne auf. Der erste Teil und der zweite Teil der Booster-Antennenstruktur weisen jeweils einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der jeweilige erste Abschnitt eingerichtet ist zur kapazitiven Kopplung mit dem Träger; und wobei der jeweilige zweite Abschnitt eingerichtet ist zum induktiven Koppeln mit einer Chip-Anordnung-externen Einrichtung.A chip arrangement comprising a chip is provided. The chip has a carrier; and a metal layer applied flat on a surface of the carrier; wherein the carrier has a rectifier circuit electrically coupled to the metal layer. The chip assembly further includes a booster antenna structure capacitively coupled to the carrier. The booster antenna structure has a first part and a second part, wherein the carrier is arranged between the first part and the second part. The booster antenna structure has an antenna. The first part and the second part of the booster antenna structure each have a first portion and a second portion, the respective first portion being adapted for capacitive coupling with the carrier; and wherein the respective second portion is adapted for inductive coupling to a chip device external device.
Anschaulich wird anstelle einer induktiven Kopplung in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine kapazitive Kopplung zu einem Lesegerät bereitgestellt zum kapazitiven Einkoppeln eines Signals (eines Datensignals oder eines Energieversorgungs-Signals) in den Träger. Das Signal ist beispielsweise ein Wechselspannungssignal (AC-Signal, engl.: alternating current), welches eine einzige Frequenz oder mehrere Frequenzen, beispielsweise eine Trägerfrequenz und mehrere auf der Trägerfrequenz aufmodulierte Frequenzen, aufweisen kann. Der Träger ist in verschiedenen Ausgestaltungen frei von externen Kontaktpads (bis auf die flächig aufgebrachte Metallschicht).Illustratively, instead of inductive coupling in various embodiments, capacitive coupling to a reader is provided for capacitive coupling of a signal (a data signal or a power signal) into the carrier. The signal is, for example, an alternating voltage (AC) signal, which may have a single frequency or a plurality of frequencies, for example a carrier frequency and a plurality of frequencies modulated on the carrier frequency. The carrier is in various embodiments free of external contact pads (except for the surface applied metal layer).
In einer Ausgestaltung kann ein Teil des Trägers eine elektrisch leitfähige Struktur bilden, die gemeinsam mit der Metallschicht einen oder mehrere Kondensatoren zum Lesegerät bilden, eingerichtet zum Einkoppeln eines elektrischen Signals in den Gleichrichterschaltkreis.In one embodiment, a part of the carrier may form an electrically conductive structure, which together with the metal layer form one or more capacitors for the reading device, designed for coupling an electrical signal into the rectifier circuit.
In noch einer Ausgestaltung kann der Gleichrichterschaltkreis eingerichtet sein zum Verarbeiten von Signalen in einem Frequenzbereich von mindestens 25 % relativ zu einer vorgegebenen Trägerfrequenz.In yet another embodiment, the rectifier circuit may be configured to process signals in a frequency range of at least 25% relative to a given carrier frequency.
In noch einer Ausgestaltung kann die Trägerfrequenz in einem Bereich von ungefähr 13,56 MHz oder von ungefähr 433 MHz oder von ungefähr 868 MHz oder von ungefähr 2,4 GHz liegen. Beispielsweise kann somit die Einkopplung in einem Frequenzbereich zum Betrieb gemäß dem HF-Standard oder dem UHF-Standard oder einer noch höheren Frequenz vorgesehen sein. Somit kann der Chip anschaulich Teil eines Chipmoduls oder eines Chipkartenmoduls und somit einer Chipkarte sein.In yet another embodiment, the carrier frequency may be in the range of about 13.56 MHz, or about 433 MHz, or about 868 MHz, or about 2.4 GHz. For example, the coupling in a frequency range for operation according to the RF standard or the UHF standard or even higher frequency can thus be provided. Thus, the chip can clearly be part of a chip module or a chip card module and thus a chip card.
In noch einer Ausgestaltung kann die Chip-Anordnung ferner aufweisen einen elektrischen Schaltkreis, der mit einem Ausgang des Gleichrichterschaltkreises elektrisch gekoppelt ist.In yet another embodiment, the chip assembly may further include an electrical circuit electrically coupled to an output of the rectifier circuit.
In noch einer Ausgestaltung kann die Chip-Anordnung ferner aufweisen eine Kontaktstruktur, die sich teilweise durch den Träger erstreckt, und welche die Metallschicht elektrisch dem Gleichrichterschaltkreis koppelt.In yet another embodiment, the chip assembly may further include a contact structure extending partially through the carrier and electrically coupling the metal layer to the rectifier circuit.
In noch einer Ausgestaltung kann der Träger ein Chip-Substrat und eine Verdrahtungsstruktur aufweisen.In yet another embodiment, the carrier may comprise a chip substrate and a wiring structure.
In noch einer Ausgestaltung kann der Träger ein Chip-Substrat und eine Verdrahtungsstruktur aufweisen; und die Kontaktstruktur kann sich zumindest teilweise durch die Verdrahtungsstruktur erstrecken.In yet another embodiment, the carrier may be a chip substrate and a wiring structure exhibit; and the contact structure may extend at least partially through the wiring structure.
In noch einer Ausgestaltung kann die Chip-Anordnung ferner aufweisen eine zusätzliche Metallschicht, die auf einer der Oberfläche des Trägers entgegengesetzten Oberfläche aufgebracht ist.In yet another embodiment, the chip assembly may further include an additional metal layer deposited on a surface opposite the surface of the carrier.
In noch einer Ausgestaltung kann die Antenne eine Dipolantenne und/oder eine Schleifenantenne aufweisen.In yet another embodiment, the antenna may comprise a dipole antenna and / or a loop antenna.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Chip-Anordnung bereitgestellt. Das Verfahren kann aufweisen: Kapazitives Einkoppeln eines Signals in einen Träger mittels einer auf einer Oberfläche des Trägers flächig aufgebrachten Metallschicht; und Gleichrichten des eingekoppelten Signals mittels eines mit der Metallschicht elektrisch gekoppelten Gleichrichterschaltkreises.In various embodiments, a method for operating a chip arrangement is provided. The method may include: capacitive coupling of a signal into a carrier by means of a metal layer applied flat on a surface of the carrier; and rectifying the coupled signal by means of a rectifier circuit electrically coupled to the metal layer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigen
-
1 eine konventionelle Booster-Antenne mit einem Chip mit monolithisch integrierter Antenne; -
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Booster-Antenne aus1 ; -
3 einen Chip gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; -
4 eine Querschnittsdarstellung eines Chips gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; -
5 eine Booster-Antenne gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; -
6 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Teils der Booster-Antenne aus5 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; -
7 eine Darstellung, in der zwei Teile der Booster-Antenne aus5 aufeinander angeordnet werden gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; -
8 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Transpondersystems gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; -
9 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Betreiben einer Chip-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist; -
10 eine Querschnittsdarstellung eines Chips gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und -
11 eine Implementierung eines Gleichrichterschaltkreises gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
-
1 a conventional booster antenna with a chip with monolithically integrated antenna; -
2 an electrical equivalent circuit diagram of the booster antenna off1 ; -
3 a chip according to various embodiments; -
4 a cross-sectional view of a chip according to various embodiments; -
5 a booster antenna according to various embodiments; -
6 an enlarged view of a first part of the booster antenna5 according to various embodiments; -
7 a representation in which two parts of the booster antenna off5 arranged one on another according to various embodiments; -
8th a cross-sectional view of an embodiment of a transponder system according to various embodiments; -
9 a flowchart illustrating a method of operating a chip arrangement according to various embodiments; -
10 a cross-sectional view of a chip according to various embodiments; and -
11 an implementation of a rectifier circuit according to various embodiments.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "front", "rear", etc. is used with reference to the orientation of the described figure (s). Because components of embodiments can be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is illustrative and is in no way limiting. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It should be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with each other unless specifically stated otherwise. The following detailed description is therefore not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.As used herein, the terms "connected," "connected," and "coupled" are used to describe both direct and indirect connection, direct or indirect connection, and direct or indirect coupling. In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference numerals, as appropriate.
Anschaulich wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Neuentwicklung einer Booster-Antenne bereitgestellt. Verschiedene Ausführungsbeispiele ermöglichen es, auch sehr kleine Kommunikationsmodule und/oder Chips mittels kapazitiver Kopplung auszulesen. Verschiedene Ausführungsbeispiele weisen einen einfachen Aufbau der Chip-Kapazitätsflächen auf, weshalb es nicht erforderlich ist, Optimierungsvorgänge an dem Substratmaterial, beispielsweise Silizium, durchzuführen.Clearly, a new development of a booster antenna is provided in various embodiments. Various embodiments make it possible to read even very small communication modules and / or chips by means of capacitive coupling. Various embodiments have a simple structure of the chip capacitance surfaces, which is why it is not necessary to carry out optimization processes on the substrate material, for example silicon.
Die Chip-Kapazitätsflächen sind in verschiedenen Ausführungsbeispielen mittels einer kapazitiven Kopplung mit einer größeren Antennenstruktur verbunden, die den konventionellen Einsatz als RFID-Tag ermöglicht. Aufgrund der einfachen Kapazitätsstruktur des Typs kann ein breitbandiges Signal, in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Signal im Wesentlichen jeder Frequenz, eingespeist werden und somit jede Art von Booster-Antenne eingesetzt werden.The chip capacitance surfaces are connected in various embodiments by means of a capacitive coupling with a larger antenna structure, which allows the conventional use as an RFID tag. Due to the simple capacitance structure of the type, a broadband signal, In various embodiments, a signal of substantially any frequency, be fed and thus any type of booster antenna can be used.
Anschaulich handelt es sich bei der konventionellen Booster-Antenne
Durch die geometrische Annäherung des Coil on Module
Wie in dem Ersatzschaltbild
Dieser Aufbau kann jedoch verschiedene Nachteile aufweisen, beispielsweise:
- • jede Booster-Antenne benötigt mindestens ein Kontaktloch;
- • das Coil on Module (CoM) bzw. Coil on Chip (CoC) 102 benötigt mindestens zwei Metallisierungsebenen für die Realisierung der Spule, wobei viele herkömmliche Coil on Module und Coil on
Chips 102 sogar mehr Metallisierungsebenen vorsehen, um den Widerstand zu reduzieren. - • Durch eine Spule am Chip oder am Modul wird üblicherweise eine einzige Betriebsfrequenz bzw. Resonanzfrequenz vorgegeben. Andere Frequenzen können in diesem Fall dann nicht mehr effizient eingekoppelt werden.
- Each booster antenna needs at least one contact hole;
- The Coil on Module (CoM) or Coil on Chip (CoC) 102 requires at least two metallization levels for the realization of the coil, many conventional coil on modules and coil on
chips 102 even provide more metallization levels to reduce the resistance. - • A coil on the chip or on the module usually specifies a single operating frequency or resonance frequency. Other frequencies can then no longer be efficiently coupled in this case.
Anschaulich wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen die herkömmliche monolithisch integrierte Spule bei einem Coil on Module
Der Chip
Der Träger
Das Chip-Substrat
Auf dem Chip-Substrat
In dem Träger
Der Gleichrichterschaltkreis
Ein erster Eingang des Gleichrichterschaltkreises
Anschaulich bildet die Metallschicht
Eine zweite Kondensatorplatte des Einkoppel-Kondensators zum Einkoppeln elektrischer Energie kann von einer optionalen weiteren Metallschicht
Ein zweiter Eingang des Gleichrichterschaltkreises
So genannte HF-Tags weisen üblicherweise Kontaktvias auf. Aufgrund der vielen Spulenwindungen bei einem herkömmlichen Coil on Module
Ferner kann oder können in dem Träger
Ein Ausgang des Gleichrichterschaltkreises
Der Gleichrichterschaltkreis
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Gleichrichterschaltkreis eingerichtet sein zum Verarbeiten von Signalen in einem Frequenzbereich von größer 100 MHz (beispielsweise von größer 200 MHz, 300 MHz, 400 MHz, 500 MHz, 600 MHz, 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz, 1 GHz, 1,5 GHz, 2 GHz, oder noch größer) um eine Trägerfrequenz (natürlich jeweils abhängig von der Trägerfrequenz), beispielsweise in eine Frequenzrichtung (beispielsweise einen Frequenzbereich größer oder kleiner als die Trägerfrequenz) oder in beide Frequenzrichtung (beispielsweise einen Frequenzbereich größer und kleiner als die Trägerfrequenz) ausgehend von der Trägerfrequenz.In various embodiments, the rectifier circuit may be configured to process signals in a frequency range greater than 100 MHz (for example greater than 200 MHz, 300 MHz, 400 MHz, 500 MHz, 600 MHz, 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz, 1 GHz, 1.5 GHz, 2 GHz, or even greater) by a carrier frequency (of course depending on the carrier frequency), for example in a frequency direction (for example, a frequency range greater or less than the carrier frequency) or in both frequency direction (for example, a frequency range greater and smaller as the carrier frequency) from the carrier frequency.
Der Gleichrichterschaltkreis
Wie im Folgenden ebenfalls noch näher erläutert wird, kann der kapazitiven ausgelegte Chip
Die Booster-Antenne
Der erste Teil
Allgemein kann die Booster-Antennenstruktur kapazitiv mit dem Träger gekoppelt sein.Generally, the booster antenna structure may be capacitively coupled to the carrier.
Der Chip
In
Wie in
Die beiden Teile
Wenn die beiden Teile
Bei diesem beispielhaften Transpondersystem
Somit kann der Chip
Bei einem Ausführungsbeispiel, indem das Trägermaterial, in welches der Chip
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die Booster-Antennenstruktur, das heißt beispielsweise der elektrisch leitfähigen Strukturen des ersten Abschnittes
Wenn die beiden Teile
Diese Variante kann aufweisen, einen Shuntwiderstand und/oder einen Modulator
Weiterhin kann der Gleichrichterschaltkreis
Durch die flächig aufgebrachte Metallschicht
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Chip-Anordnung in einem Chipkartenmodul und/oder einer Chipkarte eingesetzt sein.In various embodiments, the chip arrangement can be used in a chip card module and / or a chip card.
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